(57)【要約】【課題】複雑でかつ高価な装置を付加することなく、結晶揺れ量を計測し、結晶落下を防止できる単結晶引上装置及び製造方法を提供する。【解決手段】単結晶の引上において、結晶固液界面のメニスカス位置により画像処理によって結晶の揺れ量を計測し、計測した揺れ量により結晶落下の危険の有無を判断し、落下防止の危険があると判断した場合にシリコン単結晶の直胴部を保持する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶引上装置であって、結晶固液界面のメニスカスの状態を示す画像情報を取り込む手段と、
この画像情報取り込み手段で取得した画像情報をデータ処理し、前記単結晶の揺れ量を計測する手段と、
前記揺れ量により前記単結晶落下の危険の有無を判断する手段と、
前記単結晶落下の危険が有ると判断した場合に前記単結晶の直胴部を保持する手段とを
備えたことを特徴とする単結晶引上装置。
【請求項２】
前記画像情報を取り込む手段は、該単結晶のネック部を撮像するネック用カメラと、該単結晶のボディ部を撮像するボディ用カメラであることを特徴とする請求項１記載の単結晶引上装置。
【請求項３】
前記単結晶の揺れ量を計測する手段により、該単結晶の質を判断し、単結晶が有転位結晶であると判断した場合に引上を制御する手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の単結晶引上装置。
【請求項４】
単結晶の製造方法であって、
結晶固液界面のメニスカスの状態を示す画像情報を取り込み、
この画像情報取り込み手段で取得した画像情報をデータ処理し、前記単結晶の揺れ量を計測し、
前記揺れ量により前記単結晶落下の危険の有無を判断し、
前記単結晶落下の危険が有ると判断した場合に前記単結晶の直胴部を保持する、
ことを特徴とする単結晶の製造方法。
【請求項５】
該単結晶の揺れ量により、該単結晶が有転位結晶であると判断して、引上を制御することを特徴とする請求項４記載の単結晶製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単結晶引上装置、特に結晶落下防止システムを備えた単結晶引上装置及び単結晶の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの基板として大口径ウェーハが広く使用されるようになり、ウェーハ素材であるシリコン単結晶も大型品が一般的になっている。シリコン単結晶の製造は大型品であっても、チョクラルスキー引上法（ＣＺ引上法）によって行われるので、引上工程が長期化し細いネック部で高重量体を長時間支える必要がある。
【０００３】
引上途上において、例えば地震等が発生した場合、引上途上の単結晶が落下する事故が多く、問題になっている。
【０００４】
対策として、ネックから単結晶本体の直胴部を育成する過程で拡径部と縮径部を続けて形成し、そのくびれを把持する方法が提案されている (例えば、特許文献１、２参照)。また、くびれを把持する治具などについても種々提案されている(例えば、特許文献３、４参照)。
【０００５】
さらに、揺れている結晶を制止する方法として、プルヘッドをＸ−Ｙテーブルに載せ結晶を吊下げているワイヤの揺れ量をセンサで計測し、当該データによりテーブルを制御する方法なども提案されている(例えば、特許文献５参照)。
【特許文献１】特公平7-103000号公報
【特許文献２】特開平10-139583号公報
【特許文献３】特開平10-259088号公報
【特許文献４】特開平10-273383号公報
【特許文献５】特公平7-47520号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
単結晶にくびれ部を作り把持し直す方法においては、結晶軸のずれを生ずることなく育成を継続できる高い精度のくびれを形成する必要があり、治具などの補助で精度達成を試みられているが十分でなく実用化に至っていない。また、この方法によれば、把持部が結晶引上機構と同期して昇降し、かつ開閉する必要があるため機構が複雑となる。一方、ワイヤの揺れ量をＸ−Ｙテーブルにより計測して制振する方法は、揺れが起こってから対応するため制御が遅れるだけでなく、ワイヤの偏倚が結晶の揺れに起因することを識別するための付属機構を限られた炉内空間に組込む必要がある。これは装置構成のうえで難しい。
【０００７】
そこで、複雑でかつ高価な装置を付加することなく、結晶揺れ量を計測し、結晶落下を防止できることが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様によれば、単結晶引上装置であって、結晶固液界面のメニスカスの状態を示す画像情報を取り込む手段と、この画像情報取り込み手段で取得した画像情報をデータ処理し、前記単結晶の揺れ量を計測する手段と、前記揺れ量により前記単結晶落下の危険の有無を判断する手段と、前記単結晶落下の危険が有ると判断した場合に前記単結晶の直胴部を保持する手段とを備えたことを特徴とする単結晶引上装置が提供される。
【０００９】
前記単結晶引上装置において、前記画像情報を取り込む手段は、該単結晶のネック部を撮像するネック用カメラと、該単結晶のボディ部を撮像するボディ用カメラが好適である。
【００１０】
前記単結晶引上装置において、前記単結晶の揺れ量を計測する手段により、該単結晶の質を判断し、単結晶が有転位結晶であると判断した場合に引上を制御する手段を備えていることが好適である。
【００１１】
本発明の別の一態様によれば、単結晶の製造方法であって、結晶固液界面のメニスカスの状態を示す画像情報を取り込み、この画像情報取り込み手段で取得した画像情報をデータ処理し、前記単結晶の揺れ量を計測し、前記揺れ量により前記単結晶落下の危険の有無を判断し、前記単結晶落下の危険が有ると判断した場合に前記単結晶の直胴部を保持する、ことを特徴とする単結晶の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、結晶の揺れを計測し、落下を防止する機構を持つ単結晶引上装置を提供し、安全で効率よい単結晶の製造方法が実施可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、本発明の実施の形態に係る単結晶引上装置について、図面を参照しながら説明する。図１は、結晶揺れ量を計測する結晶揺れ量計測制御システムの構成図である。
【００１４】
図１に示す結晶揺れ量計測制御システムは、基本的に輻射シールド１０によってシールドされた結晶１１のネック部を撮像するネック用カメラ１２と、結晶のボディ部を撮像するボディ用カメラ１３と、各カメラからの画像信号を取り込み、信号分配を行うカメラドライバ１４と、結晶の揺れ量を計測する第１の画像処理装置１５と、第１の画像処理装置１５で得られた計測データから揺れ量を算出する演算処理装置１６と、結晶の直径と融液レベルを計測する第２の画像処理装置１７と、揺れ量情報をもとに引上駆動系を制御する制御装置１８とから構成されている。ここで、メニスカスとは、表面状態あるいは液面状態を称している。ネック用カメラ１２、ボディ用カメラ１３は、例えばＣＣＤカメラが好適であり、所定のフィルタが装着される。
【００１５】
次に、図１をもとに単結晶引上途上において結晶の揺れを計測して落下の危険性を評価する制御の流れ（フロー）を述べる。
【００１６】
(1)ネック用カメラ１２で撮像された画像情報とボディ用カメラ１３で撮像された画像情報は、それぞれ、カメラドライバ１４に送られる。
【００１７】
次いで、カメラドライバ１４は、各カメラで得られた画像情報を、例えば所定のＡ／Ｄ変換を施した後、第１及び第２の画像処理装置１５，１７へ、出力する。
【００１８】
(2) 第１の画像処理装置１５では、入力した画像情報を基に、引上途上にある結晶の直径および融液面レベルを評価する。
【００１９】
(3) 第２の画像処理装置１７では、入力した画像情報を基に、結晶１１の揺れ量を計測する。
【００２０】
(4) 第２の画像処理装置１７で得られた揺れ量データは結晶揺れデータ演算処理装置１６へ送られ、Ｘ軸方向とＹ軸方向の揺れ量を算出する。
【００２１】
(5) 結晶揺れデータ演算処理装置１６の演算データは、単結晶引上制御装置１８へ送られる。単結晶引上制御装置１８は、揺れ度合いの状況を判断して、その情報を結晶引上機構系に伝達し、各部位の制御動作を行う。
【００２２】
次に、上記制御フローの(3)と(4)に該当する結晶体１１の揺れを計測する手段は結晶と融液界面の画像処理に基づく。画像処理による結晶中心座標の決定の仕方を図２により詳細に説明する。
【００２３】
単結晶引上装置には、スタビライズ工程とネック工程における結晶直径を計測するための監視カメラとボディ工程における直径を監視するためのカメラが取付けられている。このカメラ２台に画像処理装置が接続される。本発明の実施形態では、専用カメラを追加することなく、結晶直径と融液面レベルを監視するために既設されているカメラを用い、Ｘ軸方向とＹ軸方向の結晶揺れ量を連続的に計測することが可能である。
【００２４】
すなわち、スタビライズ工程、ネック工程およびボディ工程において、単結晶と融液との界面に形成されるメニスカスをカメラで監視し、画像中に設定したＸ軸とＹ軸を基準にメニスカス外縁までの距離（図２においてＡ、Ｂ、Ｃ）を測定する。引上途上では結晶の直径（Ａ−Ｂ）を常時計測している。結晶中心のＸ座標を決定するに当たっては、監視している結晶径（Ａ−Ｂ）の１／２の値に同時刻のＢを加算する。その変化にもとづき画面横方向の揺れを評価する。また、Ｙ軸の座標をＣとして画面縦方向の揺れを計測する。ただし、Ｙ座標の設定に当たっては、カメラ取付け角度での係数補正が必要である。
【００２５】
この計測によって、揺れ量の大小だけでなく、揺れ量の変化(揺れの速度)も評価する。計測した揺れ量により結晶落下の危険の有無を判断する手段は、上述した制御フロー(5)に相当する。結晶体の揺れを計測した結果によれば、結晶中心は円形または楕円形に類似する運動軌跡を示す。揺れ量を、静止したときの結晶中心からの偏倚として定量化し、揺れの大小に応じた制御情報を、引上機の駆動機構に対して発信する構成を単結晶引上制御装置１８に組込んでいる。例えば、揺れ量が小さく揺れ速度も小さいとき、インプットされている過去のデータに基づき設定した臨界値以下であれば揺れ制御を行わない。揺れが観測され、結晶が炉壁や輻射シールドなど周辺部位と干渉して、さらに増大する可能性があると判断した場合プルヘッドのＸ−Ｙテーブルにより揺れ抑制動作を実行する。または、結晶を吊下げているワイヤを自動的に巻き上げ結晶と周辺部位との干渉を制止することが可能である。大きい揺れ量と高い揺れ速度が発生したとき、警報を発して作業員の対処を求め、自動的に引上機が結晶落下を回避する体制に入り、インゴットキャッチャーが作動待機状態となる。
【００２６】
単結晶引上途上に結晶揺れ量を計測し、予め設定したＸ−Ｙの揺れ臨界値と比較する事により、結晶が揺れて落下の危険が有ると判断した場合に結晶の直胴部を保持することが可能であり、さらに大きい揺れによりネック部で折損する場合を想定して事故を未然に防ぐため、インゴットキャッチャーが作動して転倒を防止する。
【実施例】
【００２７】
以下、本発明を実施例に基づきさらに具体的に説明するが、本発明は下記の実施例により限定されるものではない。
【００２８】
図３乃至図５は、直径200mm(12インチ)ウェーハの単結晶体引上げにおいて、プロセス途上で同時に計測した結晶の揺れを示す。特に、図３は、引上の初期にあたるスタビライズ工程において計測した結果である。図中の一点は、結晶中心の座標（Ｘ，Ｙ）を1/60秒毎に計測し、200 msec間に得られた値(約12点)の平均値を示す。図３は、座標（Ｘ，Ｙ）を約18秒間にわたり計測した結果である。Ｘ軸とＹ軸の一目盛りは0.5mmである。結晶が、5.5秒の周期でＸ方向とＹ方向に振幅4.8mmで揺れ、結晶の中心は径3mmの円に類似する軌道をえがいて運動したことがわかる。
【００２９】
その後、ネック工程では図４に示すように周期を５秒として最大振幅2mmの揺れを観測した。スタビライズ工程およびネック工程において、このような揺れが観察された事実はワイヤ吊下げ重量が軽いため、炉内のアルゴンガス流れなどの影響を受け易いためである。引き続きボディ工程での結晶中心の位置変化を計測した結果を示す図５によれば、結晶中心の位置変化は計測されず、単結晶の引上が正常に進行したことが分かった。すなわち、Ｘ軸方向の揺れは微小であった。Ｙ軸方向にのみ振幅1.5mmの振動が観測された。これはシーム線の突起を計測した結果である。このように、結晶中心の運動を計測することによって、シームの長さ、シームの(本)数、結晶の曲がりなどの変形、縦方向の凹凸、さらには、シームが消滅したとき復活させるためのメレトバックの方法が分かる。
【００３０】
以上の計測から、結晶揺れ量を計測し、予め設定した臨界値と比較する事により、落下の危険性を評価することができる。
【００３１】
例えば、揺れの原因が地震であれば、マグニチュード5.5の震度に対し、ボディ長500mmまで育成された結晶体は、メニスカス中心に振幅１０ｍｍの揺れを生じて、結晶周囲の輻射シールドに接触するなどのトラブルを起こす。
【００３２】
前述したように、ボディ工程において、Ｙ軸のみの揺れが観測された場合は、その揺れ量がシーム線の突起であると判断でき、Ｙ軸揺れ量が観測されなくなった時点で、結晶が有転位化しメルトバックなどの対処が必要である旨を、オペレータへ報知することが可能である。また、結晶の揺れ量および変化速度を総合的に判断することにより、事前に設定された揺れのパターンにもとづき、吊りワイヤを静止する、ワイヤを巻上げる、結晶体を保持する、ヒータをシャットダウンする、湯漏れ防止体制をとるなどの段階的な対処も可能となる。
【００３３】
本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組合せてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施形態に係る結晶揺れ量の計測制御システムの構成を示す構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係る結晶揺れ量の計測機器における画像処理による結晶中心座標の決定方法を説明する図である。
【図３】スタビライズ工程における結晶固液界面における単結晶体中心位置の計測例を示す図である。
【図４】ネック工程における結晶固液界面における単結晶体中心位置の計測例を示す図である。
【図５】ボディ工程における結晶固液界面における単結晶体中心位置の計測例を示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０・・・輻射シールド、１１・・・結晶、１２・・・ネック用カメラ、１３・・・ボディ用カメラ、１４・・・カメラドライバ、１５・・・第１の画像処理装置、１６・・・演算処理装置、１７・・・第２の画像処理装置、１８・・・制御装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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